Các nhà nghiên cứu phát triển bộ truyền động robot mềm tự phục hồi

Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Bang Penn đã phát triển một giải pháp cho sự mài mòn trên các bộ truyền động rô-bốt mềm do hoạt động lặp đi lặp lại: một loại polyme tự phục hồi, sinh tổng hợp dựa trên răng vòng của mực. Vật liệu này có lợi cho bộ truyền động, nhưng nó cũng có thể được áp dụng ở bất kỳ nơi nào mà các lỗ nhỏ có thể gây ra vấn đề, chẳng hạn như bộ quần áo bảo hộ.

Theo báo cáo trong Vật liệu tự nhiên, “Các vật liệu tự phục hồi hiện tại có những thiếu sót làm hạn chế khả năng ứng dụng thực tế của chúng, chẳng hạn như cường độ hồi phục thấp và thời gian hồi phục lâu (giờ).” 

Lấy cảm hứng từ các sinh vật tự phục hồi trong tự nhiên, các nhà nghiên cứu đã tạo ra các protein tổng hợp có độ bền cao. Họ có thể tự chữa lành vết thương nhỏ và có thể nhìn thấy được.

Melik Demirel là giáo sư khoa học kỹ thuật và cơ học, đồng thời là người nắm giữ Ghế Lloyd và Dorothy Foehr Huch về Vật liệu mô phỏng sinh học.

Ông nói: “Mục tiêu của chúng tôi là tạo ra các vật liệu có thể lập trình tự phục hồi với khả năng kiểm soát chưa từng có đối với các đặc tính vật lý của chúng bằng cách sử dụng sinh học tổng hợp. 

Cánh tay robot và bộ phận giả

Một số máy rô-bốt, chẳng hạn như cánh tay rô-bốt và chân giả, dựa vào các khớp liên tục chuyển động. Điều này đòi hỏi một vật liệu mềm, và điều này cũng đúng đối với máy thở và các loại thiết bị bảo vệ cá nhân khác nhau. Những vật liệu này và bất kỳ vật liệu nào trải qua chuyển động lặp đi lặp lại liên tục đều có nguy cơ bị rách và nứt nhỏ, cuối cùng sẽ bị vỡ. Với việc sử dụng vật liệu tự phục hồi, những vết rách nhỏ này có thể được sửa chữa nhanh chóng trước khi xảy ra bất kỳ hư hỏng nghiêm trọng nào. 

DNA song song lặp lại

Nhóm các nhà nghiên cứu đã tạo ra polyme tự phục hồi bằng cách sử dụng một chuỗi lặp lại song song DNA bao gồm các axit amin được tạo ra bởi quá trình sao chép gen. Lặp lại song song thường là một chuỗi ngắn các phân tử có thể tự lặp lại không giới hạn số lần. 

Abdon Pena-Francelsch là tác giả chính của bài báo và là cựu nghiên cứu sinh tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của Demirel.

Abdon Pena-Francelsch cho biết: “Chúng tôi đã có thể giảm thời gian hồi phục điển hình trong 24 giờ xuống còn một giây để robot mềm dựa trên protein của chúng tôi giờ đây có thể tự sửa chữa ngay lập tức. “Về bản chất, quá trình tự phục hồi mất nhiều thời gian. Theo nghĩa này, công nghệ của chúng ta thông minh hơn tự nhiên.”

Theo Demirel, polyme tự phục hồi có thể tự phục hồi bằng cách sử dụng nước, nhiệt và thậm chí cả ánh sáng. 

Demirel cho biết: “Nếu bạn cắt đôi polyme này, khi nó lành lại, nó sẽ lấy lại 100% sức mạnh của nó.

Metin Sitti là giám đốc của Phòng Tình báo Vật lý tại Viện Max Planck về Hệ thống Thông minh, Stuttgart, Đức.

Sitti cho biết: “Các vật liệu mềm thông minh về mặt vật lý có khả năng tự sửa chữa là điều cần thiết để chế tạo các rô-bốt và bộ truyền động mềm mạnh mẽ và có khả năng chịu lỗi trong tương lai gần.

Nhóm nghiên cứu đã có thể tạo ra polyme mềm phục hồi nhanh chóng bằng cách điều chỉnh số lần lặp lại song song. Nó có thể giữ được độ bền ban đầu, đồng thời, họ có thể tạo ra loại polyme có khả năng phân hủy sinh học 100% và có thể tái chế 100% thành cùng một loại polyme. 

Polyme gốc dầu mỏ

Demirel cho biết: “Chúng tôi muốn giảm thiểu việc sử dụng polyme từ dầu mỏ vì nhiều lý do. “Sớm muộn gì chúng ta cũng sẽ cạn kiệt xăng dầu và nó cũng gây ô nhiễm và khiến trái đất nóng lên. Chúng ta không thể cạnh tranh với nhựa thực sự rẻ tiền. Cách duy nhất để cạnh tranh là cung cấp thứ gì đó mà các polyme gốc dầu mỏ không thể cung cấp và khả năng tự phục hồi mang lại hiệu suất cần thiết.”

Theo Demirel, nhiều loại polyme làm từ dầu mỏ có thể được tái chế, nhưng nó phải là một thứ gì đó khác biệt. 

Các polyme mô phỏng sinh học có thể phân hủy sinh học và các axit như giấm có thể tái chế nó thành bột, sau đó có thể được sản xuất thành polyme tự phục hồi ban đầu. 

Stephanie McElhinny là người quản lý chương trình hóa sinh tại Văn phòng Nghiên cứu Quân đội. 

McElhinny cho biết: “Nghiên cứu này làm sáng tỏ bối cảnh của các đặc tính vật chất có thể tiếp cận được bằng cách vượt ra ngoài các protein tồn tại trong tự nhiên bằng cách sử dụng các phương pháp sinh học tổng hợp. “Khả năng tự phục hồi nhanh chóng và cường độ cao của các protein tổng hợp này cho thấy tiềm năng của phương pháp này trong việc cung cấp các vật liệu mới cho các ứng dụng của Quân đội trong tương lai, chẳng hạn như thiết bị bảo vệ cá nhân hoặc rô-bốt linh hoạt có thể cơ động trong không gian hạn chế.”